Biogospodarka, GMO, bioinformatyk i biodisel z drewna

Ceramiczny smok w Toruniu. Najwyraźniej przynosi szczęście, o czym świadczą liczne monety, leżące obok. A przynajmniej w to wierzą rzucający monety. Czy taki smok może ożyć?

 

Jest to opowieść o biogospodarce (definicja na końcu tekstu). Czy można zaprojektować, korzystając z bioinformatyki, takie enzymy, które będą cięły celulozę na mniejsze fragmenty czyli cukry proste? Te już łatwo można poddać fermentacji i uzyskać biodisel. Dlaczego takie pytanie w ogóle się pojawia jako problem badawczy? Wszystko zaczyna się od energii odnawialnej. Jak wykorzystać fotosyntezę by produkowała surowce energetyczne? Fermentację alkoholową znamy od dawna i ją dobrze już opanowaliśmy. Oczywiście z wykorzystaniem mikroorganizmów, w tym przypadku drożdży. Były już w środowisku, myśmy tylko wyselekcjonowali najbardziej przydatne szczepy. Rezerwuary dzikich drożdży ciągle są w środowisku a w ich utrzymaniu pomocne są dziko żyjące osy, w tym szerszenie. Jest więc "narzędzie", potrzebny tylko surowiec - cukry. Proste cukry powstają w wyniku fotosyntezy i gromadzone są w roślinach, w szczególności w owocach. Produkcja alkoholu etylowego z produktów roślinnych trwa od dawna. Sam alkohol może być dodawany do paliwa tradycyjnego lub samodzielnie być wykorzystywany do spalania. Ale hodować kukurydzę na paliwo? Albo winogrona? Marnować tyle żywności? A nie da się wykorzystać innych produktów fotosyntezy, takich, które nie nadają się do zjedzenia?

Celuloza i lignina jako wzmocnienie roślinnych ścian komórkowych to ważny ewolucyjny wynalazek. To cukry złożone, polimery, bardzo trwałe. Dzięki nim drzewa nie tylko mogą być duże i sztywne, ale i odporne na zjadanie przez różne organizmy duże i małe.  Celuloza jest energetyczna tylko trudno się do tej energii dostać. Najprostszym sposobem jest fizyczne spalanie. Robimy to już od milionów lat, spalając w ogniskach, piecach czy kotłowniach. W elektrowni, spalając drewno, uzyskujemy energię cieplną, którą za pośrednictwem parowania wody możemy zamienić w energię elektryczną. Transport napędzany parą już mieliśmy, były samochody i były pociągi oraz silniki w fabrykach. Tak zaczęła się epoka przemysłowa. Niemniej silniki parowe generują sporo pyłów i zanieczyszczenia środowiska. Naukowcy szukają czegoś nowego i efektywniejszego.

Do produkcji biodisla można oczywiście wykorzystywać mikroorganizmy i rośliny jeszcze inaczej - wykorzystując różne tłuszcze i im podobne związki. Tak by paliwo produkować z roślin lub glonów a nie z ropy naftowej. Ale z drewna nie da się wycisnąć czy wytłoczyć oleju. Teoretycznie można by fermentować celulozę na alkohol. Tylko brak enzymów, które cięłyby celulozę na mniejsze cukrowe fragmenty. A jak będzie cukier to dalsza fermentacja przez drożdże to już łatwizna. 

Skąd wziąć takie enzymy? Zaprojektować enzym w komputerze (bioinformatyka) a potem go wyprodukować w formie bakterii GMO lub innych mikroorganizmów. Szukać w środowisku czy stworzyć samemu od podstaw? Samodzielne tworzenie to niewyobrażalnie wiele losowych prób (chyba, że pomoże sztuczna inteligencja). Drogą na skróty jest podpatrywanie natury, czyli tego co ewolucja uczyniła przez kilka miliardów lat. Drewno jako surowiec powstało dawno temu, gdy rośliny wyszły na ląd. Przez te miliony lat na pewno musiały pojawić się organizmy zdolne do trawienia celulozy a więc cięcia i rozkładania jej na mniejsze fragmenty. Przecież są zwierzęta roślinożerne, są grzyby i wiele innych mikroorganizmów. Gdzie ich szukać?

Nawet krowa sama nie trawi celulozy z roślin zielnych. Ma swoją, wewnętrzną hodowlę mikroorganizmów. Dostarcza im tylko wody oraz rozdrobnionego, przeżutego surowca. Podobnie z termitami - te również trawią celulozę za pośrednictwem mikoorganizmów, przechowywanych w przewodzie pokarmowym i przekazywanym z "ust do ust". Takie dziedziczenie poza gametami. Eko-dziedziczenie poza genetyczne. Termity także rozdrabniają surowiec by zwiększyć powierzchnię działania dla enzymów z nie swojego genomu. Z hologenemu. 

Takich organizmów jest dużo więcej, zwłaszcza wśród owadów. Nawet mieszkających u nas w domu, np. rybików cukrowych. A wszystkie drogi prowadzą do mikroorganizmów i ich biochemicznego potencjału. Jak ich szukać? Tu na pewno potrzebna jest podstawowa wiedza biologiczna i ekologiczna. Czyli wskazana jest współpraca biotechnologów i biologów molekularnych z podstawowymi naukami biologicznymi: entomologią i ekologią. To ci ostatni mogą podpowiedzieć, gdzie szukać. 

Od lat, zwłaszcza w środowisku chemików, krąży anegdota o pędzeniu bimbru z trocin. Przepis jest tak samo mityczny jak smoki. A jednak zajmuje umysły wielu ludzi. Za sprawą fantazji naukowców mityczne przepisy jak i mityczne zwierzęta, mogą stać się faktem. Już nie tylko ceramiczna figurka lecz całkiem nowe zwierzę zaprojektowane w laboratoriach. Tylko po co komu smok? Co innego z przepisem na bimber z trocin. Bo to oznaczałoby biopaliwo wspierające energię, pozyskiwaną z wiatru i słońca. W momentach, gdy jest ciemno (noc) i gdy nie wieje, a więc nie pracują wiatraki ani solary, można produkować energię z etanolu. Anegdotyczny bimber z trocin jest więc ważnym elementem zrównoważonej gospodarki. Do produkcji biomasy, np. w formie wierzby czy miskanta, wykorzystywać można grunty o niskich klasach rolniczych. 

Nauka jest tym, co ożywia mityczne zwierzęta i to co fantazyjne i niemożliwe, staje sie możliwe. Do tego prowadzi jednak długa droga żmudnych poszukiwań. Łatwiej znaleźć, gdy wie się, gdzie szukać.

Biogospodarka, znana również jako gospodarka biologiczna, to system gospodarczy, który opiera się na wykorzystaniu zasobów biologicznych, takich jak rośliny, zwierzęta, mikroorganizmy i biomasa, do produkcji żywności, energii, materiałów i innych produktów. Celem biogospodarki jest zrównoważony rozwój, który minimalizuje negatywny wpływ na środowisko i promuje efektywne wykorzystanie zasobów naturalnych. Biogospodarka obejmuje różne sektory, takie jak rolnictwo, leśnictwo, rybołówstwo, przemysł spożywczy, biotechnologię i energetykę odnawialną. Przykłady działań w ramach biogospodarki to produkcja biopaliw, bioplastików, biochemikaliów oraz rozwój technologii bioremediacji, które pomagają w oczyszczaniu środowiska. W tej definicji zabrakło nauk podstawowych. Ale bez nich biogospodarka nie mogłaby się rozwijać. Nauki podstawowe, takiej jak ekologia czy entomologia są po nic... i po wszystko co ważne w dniu codziennym.

Chcesz wesprzeć powstawianie takich tekstów? Postaw kawę autorowi.